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  多物理场 Multiphysics         
多物理场 Multiphysics
[ 作者:佚名    转贴自:https://baike.baidu.com/item/多物理场/23107911    点击数:57    更新时间:2021/1/21    文章录入:LA ]
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多物理场(英语:Multiphysics)为耦合有多个同时发生的物理场的过程或系统,以及对此类过程和系统的研究[1]。作为一个跨学科的研究领域,多物理场涵盖了科学工程当中的许多学科,是一种杂合了数学物理、科学与工程应用以及数值分析的应用课题。其中,数学通常涉及偏微分方程张量分析,而物理则指常见类型的物理场或者物理过程。多物理场的应用涉及一个或者多个以上的物理过程或者物理场,典型的应用包括土体固结理论理论、流体动力学模拟、电动力学应用、计算电磁场、传感器(如压电材料)的设计、流体-结构相互作用、多孔材料中的能源和气候变化研究等。
中文名
多物理场
外文名
Multiphysics

定义

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多物理场至今没有广为接受的定义。广义上,多物理场定义为同时设计多个物理模型或者多个物理现象的仿真,但引入“多个物理模型”使这个定义具有广泛的意义,但同时必须注意到这个定义有些自相矛盾,因为物理模型也可能包括了物理现象。COMSOL给出了一个更为狭义的多物理场的定义:多物理场包括耦合了多个物理现象的计算机仿真,以及针对多个相互作用的物理性质的研究。在另一个定义中,一个多物理场系统由多个受物理法则(如守恒定律)支配的部分组成, [1]  这个定义非常接近于COMSOL给出的定义,区别在于物理特性并不包括在内。在另一个更为严格的定义中,多物理场则被认为是那些包含耦合多相互作用的多个连续介质中物理现象的过程。在这个定义中,能够被在时间步上以显性方式实现的双向的信息传递则是一个必要的特征。基于上述各种定义,在最新的多物理场著作中多物理被定义为包含有两个或以上同时发生的物理场的的耦合过程或系统,以及针对这些过程和系统的研究。

多物理场的种类

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“多物理场”中的“物理”一词指的是“物理场”,多物理场即指多个物理场的共存。在物理学中,一个物理场指一个物理量的值在时间和空间中的分布,例如在气象云图中,矢量可以代表图中每一点的面风速度(包括速度和方向),这就可以理解为一个速度场。在另一个典型的例子中,一个电场可以被看作是一个从电荷中发散出的电场在空间的延展:空间中每一个点都可以有一个跟位置相关的物理量的值(如场强和电势)。如果将一个试验电荷放在这个电场,则颗粒会被与位置相关的场加速。可能归因于后面一个例子,物理学家倾向于将场理解为产生力的根源。
物理场的概念在大多数科学和工程学科都有使用,但一个学科或者子学科通常只关注某一类物理场,因此多物理场成为了一个极为交叉的学科。多物理场通常使用合成词汇来表示。
传热、孔隙水流动、浓度场、压力应变场、动力学场、化学场、静电场和静磁场几种物理场理论上可以组合成247种不同的多物理场类型,但多物理场并非只是单个物理场的排列组合,多物理场的研究更多基于某个多物理场类型在实际中的普遍性和价值。侧重多孔介质的情况下,最常见的多物理场有如下几种:
  • thermomechanics (热力-力学)
  • hydromechanics (水流动-力学)
  • thermohydromechanics (热-水流动-力学)
  • electrokinetics (电动力学)
  • electromagnetics (电磁学)
  • elastodynamics (弹性动力学)
  • fluid dynamics (流体动力学)
  • hydrodynomechanics (水-动力-力学)
  • thermoelectromagnetics (热电磁学)
  • electromagnetomechanics (电磁力学)

多物理场实践

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多物理场的实践应先确定一个多物理场的过程或者系统,然后建立一个对这个过程或者系统的数学描述,继而离散化数学模型,最后求解数学离散而得的代数方程并将结果处理。多物理场分析过程与一般的数值分析过程是非常相近的。

数学建模

数学模型实际上就是很多方程的集合。在以孔隙水为代表的守恒类问题中,以下包括多种迁移机制的控制方程通常用于描述物理过程:
上述守恒方程可以用于描述质量、动量、能量等满足守恒定律的物理量。

离散化

离散化是建立数学模型后的下一个步骤,要求将数学模型中继续连续函数的描述离散为以下代数方程:
其中K是的刚性矩阵、u是未知数矩阵、F是的力矩阵。以上代数方程可以使用多种离散方法进行离散化。在多物理场研究当中,最常见的离散方法有有限差分法、有限体积法和有限单元法。这些离散方法之间有着较为明显的区别,有各自的优缺点和应用范围。

求解和后处理

离散后所得的代数方程的求解可以使用多种直接法和迭代法实现。相对于网格划分、在有限的计算时间内求解出可接受的误差内的解往往更加困难。这涉及到求解参数和求解方法的选择,同时也与离散和数学模型息息相关。多物理场分析的最后一个环节是后处理,这通常要求将所模拟的场或者其他物理量以二维或者三维图像的方式呈现出来。此外,误差分析和敏感性分析也是后处理中常常不可或缺的环节,误差分析有助于选择合适的网格,而敏感性分析有助于理解所求解的解的形状、代码中隐藏的错误和模型定义中存在的问题。

 

作者:康小数
链接:https://www.zhihu.com/question/20049538/answer/806788297
来源:知乎

从原理上来说,COMSOL 的多场耦合是先将用户设置的模型转化成数学方程,然后所有的方程一起离散化,使用相同的底层内核求解,计算过程中所有的方程(代表着各自的物理场)共同参与计算,可以参考下图。

而其他软件的耦合经常是这样的:

COMSOL 的耦合方式带来的优势是非常明显的,这也是它作为多物理场仿真软件的优势所在。

首先,用户在问题设置的时候可以自由的设置物理场之间的耦合形式,非常自由,不受物理场、耦合形式等等条件的限制,实现起来也非常容易,不需要编写用户子程序。

其次,由于底层同时计算,耦合问题的计算精度得以保证。

最后,用户随时可以对问题进行扩展,考虑更多的物理效应。

 

学术界COMSOL 工业界ANSYSCOMSOL自由度更高,可以在UI上直接定义PDE。不过这个自定义的PDE究竟能不能解并不好说,而且很多时候是很不好说。ANSYS工业界大量使用,可靠性强,不如COMSOL灵活。如果只是标准拟合(不对governing equation进行改造)的话ANSYS高效直接。如果需要深度拟合,不在意时长的话COMSOL更适合你,更何况还有LiveLink for MATLAB 这个核武器。

我的感觉是ansys长于固体而comsol长于流体,二者都是有限元。
但是comsol在做流体时准确性不如基于有限体积的fluent。

ansys的研究方向是基于电磁领域,它是这方面的大师,权威级别的,我们本科学习一般是HFSS来作为各种仿真,它的资料是非常全面的,适合新手入门,因为网上有非常多具体流程的操作步骤,完全就是一步步教你,只需要研究一两本理论书的工具部分就足以应对大多数的电磁设计。比如说天线、微带线。comsol是从MATLAB里面分出来的有限元模块,功能强大,关键是跟MATLAB有接口,这是非常便利的一部分功能。它是多元化的,化学、生物、电磁、光电、PCB、腐蚀等等各个领域都有。前者是精深,资料丰富,老牌权威,后者是简易、资料尚在完善、新手黑马。同时,二者都是基于FEM算法的,换句话说,后者更广泛,但前者因为时间比较久,人群比较大。

教学任务等级,前者是比较精深的,需要较高的理论基础,物理学、电磁波和微波这部分知识,你是肯定要懂得,不然没法操作,脑子没思路。所以这一般是作为211、985重点学科或者研究生学习所用,后者嘛……大家都懂。你想完成某个课程设计任务,简单操作,它里面甚至有对应的模型建立,一步步教你的。门槛较低,我是目测感觉COMSOL会很可能替代HFSS的。现在COMSOL已经有V4了,是在不断完善的

我推荐是COMSOL5.0版本。网上有下载和安装教程。都不难。HFSS当然也有,下载和安装也不难。在电磁领域上,二者我使用对比,模型建立、物理参数、结果分析,看来好像并没有太大的区别。

花了三年时间去熟悉comsol, 后来也因为种种原因强迫自己用ansys(fluent)。 我发现如果初学的话, 我比较喜欢comsol, 他很多设计更加人性化,对错误的纠正也比较及时反应出来。如果有心, 几周可以学会基本运作,ansys 没那么多人性化的设定, 但ansys 跑的程序比较高效一点。 打开一个较大的模型不需要等太久(注意, 只是打开!, 运算时间取决于网格和模型的各个因素)。 虽然ansys 比comsol 难用, 虽然ansys 的界面比较丑, 虽然我用comsol 的时间比较长, 但如果问我长远会用哪一个建模软件, 我会选择ansys。 因为我个人觉得ansys 比较偏向commercial, comsol 比较偏向研究。

 

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